應(yīng)力影響下預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕性能研究綜述*

徐丹丹 趙羽習(xí) 曾 濱 弓扶元

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,杭州 310058;2.中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088)

當(dāng)前預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)大規(guī)模地應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,其所采用的較高強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)筋材以及多道力筋保護(hù)體系,曾被認(rèn)為具有良好的耐久性。但隨著使用時(shí)間的不斷延長(zhǎng),既有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)存在的耐久性問題不斷暴露在公眾視野中。

在目前出現(xiàn)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的事故中,預(yù)應(yīng)力筋腐蝕引起的破壞占比最大[1]。在侵蝕環(huán)境(尤其氯鹽環(huán)境)下,孔道灌漿缺陷[2]、端頭封錨不嚴(yán)等引起預(yù)應(yīng)力筋腐蝕的問題常常存在,這些問題的存在給預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性埋下了巨大隱患。與此同時(shí),預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋受高拉應(yīng)力作用,高應(yīng)力作用下的預(yù)應(yīng)力筋腐蝕機(jī)理非常復(fù)雜,常常伴有應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞,從而引發(fā)毫無預(yù)兆的脆性破壞。

1967年英國(guó)漢普郡人行天橋[3]和1985年英國(guó)Ynys-y-Gwas橋梁[4]均在構(gòu)件接縫處發(fā)生預(yù)應(yīng)力筋腐蝕,腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的截面積減小、承載能力降低,在無外力沖擊作用下橋梁突然垮塌。Schupack在1978年[5]和1982年[6]提出的兩份調(diào)查報(bào)告分別反映了多起因后張力筋腐蝕導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞的工程實(shí)例及房屋結(jié)構(gòu)物由于應(yīng)力腐蝕或氫脆引起的嚴(yán)重脆性破壞案例。1995年廣東海印大橋斜拉索由于存在水泥漿空缺段和未凝固段,導(dǎo)致鋼絲發(fā)生腐蝕斷裂[7]。2001年四川宜賓南門大橋由于高強(qiáng)鋼絲腐蝕疲勞失效造成吊桿驟斷,導(dǎo)致橋面板大面積坍塌[8]。針對(duì)2018年意大利波爾塞維拉大橋(也稱莫蘭迪大橋)的垮塌,Invernizzi等[9]基于提出的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型,證明高周疲勞和腐蝕的綜合效應(yīng)導(dǎo)致了鋼絞線的失效,而低振幅疲勞和腐蝕的綜合影響可能被低估了。

因此在當(dāng)前的工程背景下,研究應(yīng)力影響下的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕性能是很有必要的。眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開展了相關(guān)研究工作,取得了一系列研究成果。

通過開展應(yīng)力影響下預(yù)應(yīng)力筋腐蝕性能的相關(guān)研究綜述,對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力和腐蝕作一般概述和機(jī)理分析,從腐蝕現(xiàn)象和腐蝕效應(yīng)兩方面總結(jié)相關(guān)研究的成果。腐蝕現(xiàn)象的研究關(guān)注腐蝕起始和點(diǎn)蝕形成、點(diǎn)蝕演化和裂紋成核、裂紋擴(kuò)展和材料斷裂的整個(gè)發(fā)展過程,并探討應(yīng)力在其中發(fā)揮的作用。腐蝕效應(yīng)的研究關(guān)注腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能退化,涉及固定應(yīng)力和交變應(yīng)力,并分析力學(xué)性能指標(biāo)的退化情況。在此基礎(chǔ)上,提出相應(yīng)的結(jié)論和有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

1 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力和腐蝕概述

對(duì)于碳化和氯鹽侵蝕兩種常見的腐蝕過程,碳化引起的腐蝕總體上比較均勻,而氯鹽侵蝕引起的腐蝕則以非均勻的點(diǎn)蝕為主要形態(tài)。與普通鋼筋相比,預(yù)應(yīng)力鋼絞線的腐蝕更多地表現(xiàn)出明顯的點(diǎn)蝕形態(tài),因?yàn)槁入x子引起鈍化膜溶解的位置少,生成的蝕核少,因此受供水或供氧條件的限制也相對(duì)較小,腐蝕更加充分,總體上表現(xiàn)出更為顯著的點(diǎn)蝕形態(tài)[10],見圖1。鋼絞線捻制工藝帶來的特殊的幾何形狀[11]以及在后張結(jié)構(gòu)中與管道的局部接觸[12],使其可能出現(xiàn)縫隙腐蝕,縫隙和間隙不僅為銹蝕溶液的流動(dòng)提供了通道,進(jìn)一步加快鋼絞線的銹蝕[13],還可作為銹蝕產(chǎn)物的填充空間[14]。

a—預(yù)應(yīng)力鋼絞線;b—普通鋼筋。圖1 氯離子侵蝕下混凝土中鋼筋表面蝕核的形成[11]Fig.1 Formation of nucleation on the surface of reinforcement in concrete under chloride attack

在考慮應(yīng)力影響下的預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕研究中,考慮應(yīng)力與腐蝕耦合作用造成的影響,對(duì)于固定應(yīng)力有應(yīng)力腐蝕,但是應(yīng)力腐蝕的發(fā)生條件較嚴(yán)格,對(duì)于不滿足條件的情況,預(yù)應(yīng)力筋失效原因可能是坑蝕引起的應(yīng)力集中(不發(fā)生應(yīng)力腐蝕,但不意味著應(yīng)力對(duì)腐蝕沒有貢獻(xiàn));對(duì)于交變應(yīng)力有腐蝕疲勞,腐蝕疲勞沒有應(yīng)力腐蝕那種嚴(yán)苛的發(fā)生條件,應(yīng)力集中仍會(huì)作為現(xiàn)象出現(xiàn)。考慮預(yù)應(yīng)力筋無應(yīng)力情況下腐蝕后施加應(yīng)力(拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)),坑蝕引起的應(yīng)力集中可能是預(yù)應(yīng)力筋失效的直接原因,此時(shí)不存在應(yīng)力與腐蝕的耦合作用(不考慮脫離原有腐蝕環(huán)境的筋材在后續(xù)施加應(yīng)力時(shí)繼續(xù)腐蝕的情況)。故對(duì)前者的關(guān)注更多,后者并非研究的重點(diǎn),另外對(duì)于前者并非所有研究都關(guān)注應(yīng)力腐蝕的發(fā)生與否。

1.1 應(yīng)力集中

應(yīng)力集中貫穿整個(gè)應(yīng)力與腐蝕的過程,無論是否考慮應(yīng)力歷史,都是一種應(yīng)力與腐蝕共同存在時(shí)的常見現(xiàn)象,且受到截面損失/蝕坑幾何特征的影響。當(dāng)前結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)W者的研究在關(guān)于應(yīng)力集中的試驗(yàn)中更多地考慮無應(yīng)力歷史的情況,即直接對(duì)腐蝕預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)或疲勞試驗(yàn)。Chen等[15-16]通過有限元分析建立了鋼絞線的高精度網(wǎng)格模型,研究蝕坑對(duì)多絲鋼絞線拉伸力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：腐蝕鋼絞線的腐蝕區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,降低了鋼絞線的軸向承載力;鋼絞線的應(yīng)力集中系數(shù)、承載能力均隨蝕坑方向角的增大先增大后減小;隨蝕坑位置角的增大而減小,表明應(yīng)力集中受到蝕坑幾何特征的影響。

而有應(yīng)力歷史情況下,應(yīng)力和應(yīng)變水平均會(huì)影響蝕坑的幾何特征和分布特征。Fang等[17]關(guān)注應(yīng)力對(duì)高強(qiáng)鋼絲表面蝕坑幾何特征的影響,進(jìn)行了高強(qiáng)鋼絲的鹽霧加速腐蝕試驗(yàn),以橢圓擬合所得平面投影指標(biāo)和單個(gè)腐蝕坑區(qū)域所包含點(diǎn)蝕深度的統(tǒng)計(jì)分布特征作為形貌指標(biāo)。結(jié)果表明：施加的應(yīng)力對(duì)蝕坑的生長(zhǎng)方向有影響,與無應(yīng)力條件下蝕坑主要沿鋼絲表面周向發(fā)育相比,有應(yīng)力時(shí)蝕坑主要沿深度方向生長(zhǎng);在無應(yīng)力條件下,隨著腐蝕時(shí)間的增加,逐漸出現(xiàn)桶狀腐蝕坑;當(dāng)鋼絲試樣受到拉應(yīng)力時(shí),蝕坑呈針狀突出。Chen等[18]對(duì)高強(qiáng)鋼絲進(jìn)行通電加速腐蝕試驗(yàn),使用3D顯微鏡觀察腐蝕形貌特征,采用橢圓擬合蝕坑形狀得到腐蝕數(shù)據(jù)(蝕坑深度、半徑、中心距),通過擬合蝕坑特性的概率密度函數(shù),發(fā)現(xiàn)：蝕坑深度分布頻率隨蝕坑深度的增加呈非線性減小,可以假設(shè)為指數(shù)分布,該分布與應(yīng)變水平、腐蝕時(shí)間有較大相關(guān)性。

應(yīng)力和應(yīng)變水平影響蝕坑的幾何特征和分布特征,而蝕坑的幾何特征會(huì)影響應(yīng)力集中,因此應(yīng)力和應(yīng)變水平自然也會(huì)影響應(yīng)力集中(這一點(diǎn)在腐蝕疲勞的研究中也有涉及),進(jìn)而影響預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能退化,但關(guān)注此類情況下應(yīng)力集中的文獻(xiàn)仍較少,研究有待進(jìn)一步開展。

1.2 應(yīng)力腐蝕

處于高應(yīng)力狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力筋在含氯介質(zhì)中可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕,由于其受應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)和材料性能的共同影響,故損傷機(jī)制非常復(fù)雜,當(dāng)前對(duì)其機(jī)理的研究仍未有統(tǒng)一的結(jié)論,但總體上可以概括為氫致開裂型和陽(yáng)極溶解型兩大類。2001年美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)(ACI)通過對(duì)預(yù)應(yīng)力筋腐蝕的案例分析和文獻(xiàn)綜述,得到與點(diǎn)蝕相比,相對(duì)較少的預(yù)應(yīng)力混凝土(PTC)結(jié)構(gòu)的失效可以歸因于應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)和氫脆的結(jié)論[19]。2003年,國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會(huì)(FIB)指出,在PTC結(jié)構(gòu)中,由于蝕坑的缺口效應(yīng)引起的純脆性破壞極其少見,破壞主要?dú)w因于氫誘導(dǎo)SCC,其中氫是由腐蝕過程的陰極反應(yīng)提供的[20]。

不僅如此,金屬材料學(xué)的一些學(xué)者基于模擬孔隙液環(huán)境對(duì)鋼絲和鋼絞線開展了應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究,但關(guān)于應(yīng)力腐蝕敏感性的結(jié)論并未達(dá)成一致。下面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

王正等[21]研究預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼筋45MnSiV的應(yīng)力腐蝕行為,應(yīng)力敏感性指標(biāo)采用斷面收縮率、斷裂時(shí)間。結(jié)果表明：pH值和氯離子濃度會(huì)影響應(yīng)力腐蝕敏感性。陰、陽(yáng)極各有敏感區(qū),外加電位高于保護(hù)電位-700 mV時(shí),應(yīng)力腐蝕由陽(yáng)極溶解機(jī)理控制;低于-900 mV時(shí),由氫致開裂機(jī)理控制,見圖2。這一點(diǎn)在王崧全[22]對(duì)礦用鋼絲在堿性模擬液中和Schroeder等[23]對(duì)AIS11080鋼筋的應(yīng)力腐蝕行為研究中也有發(fā)現(xiàn),且氫在裂紋擴(kuò)展機(jī)制中起著重要的作用。

圖2 外加電位對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性的影響Fig.2 Effect of applied potential on sensitivity of SCC

文獻(xiàn)[24-25]通過錨桿芯絲在腐蝕溶液(含NaCl、Na2S、CaSO4和CH3COOH)中進(jìn)行彎曲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)應(yīng)力水平、環(huán)境pH和硫化物的存在對(duì)SCC的發(fā)生率有顯著影響。除此以外,Lyu等[26]發(fā)現(xiàn)鋼絲的耐腐蝕性能還會(huì)受到化學(xué)成分的影響。應(yīng)力腐蝕是成分和微觀組織等多種因素協(xié)同作用的結(jié)果。

Cheery等[27]研究不同pH值下含0.1 mol/L NaCl的NaOH溶液中鋼絲的應(yīng)力腐蝕行為,結(jié)果表明：沒有發(fā)生活性通道溶解造成的應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆;長(zhǎng)期試件的失效本質(zhì)上是由于閉塞腐蝕電池內(nèi)加速腐蝕造成的截面損失進(jìn)而導(dǎo)致過載失效,閉塞腐蝕電池模型見圖3[28]。

圖3 含氯鹽混凝土內(nèi)鋼絞線的閉塞電池腐蝕模型Fig.3 Occlusion cell corrosion model for steel strands in concrete containing chloride

李富民[11]的理論分析認(rèn)為：對(duì)于含碳量較高的共析鋼的珠光體微結(jié)構(gòu)(圖4)而言,腐蝕不易沿便捷的橫向通道向縱深發(fā)展,而大量氫陷阱內(nèi)的氫不宜達(dá)到較高的富集度,因此這種組織結(jié)構(gòu)發(fā)生陽(yáng)極溶解型和氫致開裂型應(yīng)力腐蝕的可能均很小。同時(shí)設(shè)計(jì)了不同應(yīng)力水平的先張法小型試件,腐蝕電位的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,所有試樣的全程腐蝕電位都大于-700 mV,不足以產(chǎn)生足夠的氫原子引起鋼絞線的氫致開裂[28]。因此氯鹽環(huán)境下混凝土中鋼絞線既不易發(fā)生陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕,也不易發(fā)生氫致開裂型應(yīng)力腐蝕。

a—wc<0.12%;b—wc=0.12%;c—wc>0.12%。F為鐵素體,P為珠光體。圖4 碳鋼組織結(jié)構(gòu)與界面溶解通路[11]Fig.4 Carbon Steel Microstructure and Interfacial Dissolution Pathways

大量的研究工作揭示了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律,氯離子濃度、溫度、pH值以及溶液中的其他離子有關(guān)[21,24,29-30]。材料本身的性能(包括化學(xué)成分、表面狀態(tài)、熱處理工藝等)以及外界作用引起的應(yīng)力水平和殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性的影響也有大量的研究[26,31-33]。在引入斷裂力學(xué)的研究方法后,將力學(xué)因素與斷裂因素聯(lián)系起來,計(jì)算出裂紋尖端的應(yīng)力水平,探究特定的腐蝕體系中SCC裂紋的形成與發(fā)展過程[34-36]。正是這些繁雜的影響因素,加上對(duì)實(shí)際工程使用環(huán)境的簡(jiǎn)化與模擬,使得應(yīng)力腐蝕敏感性的研究結(jié)論無法與實(shí)際工程環(huán)境相對(duì)應(yīng)。

關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋在實(shí)際工程環(huán)境中究竟是否發(fā)生應(yīng)力腐蝕,以及工程事故中腐蝕預(yù)應(yīng)力鋼筋的脆性斷裂究竟是蝕坑引起的應(yīng)力集中造成過載斷裂還是應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的脆性斷裂,現(xiàn)有研究無法給予一致結(jié)論。此外,針對(duì)預(yù)應(yīng)力筋在應(yīng)力影響下的應(yīng)力腐蝕敏感性問題,仍需大量試驗(yàn)研究進(jìn)一步論證。同時(shí)考慮到模擬液環(huán)境與實(shí)際混凝土環(huán)境對(duì)預(yù)應(yīng)力筋腐蝕的影響不同,在已有簡(jiǎn)化試驗(yàn)的結(jié)果的基礎(chǔ)上,新的試驗(yàn)研究應(yīng)考慮更貼近實(shí)際情況設(shè)計(jì)。

1.3 腐蝕疲勞

當(dāng)前腐蝕疲勞的研究多以對(duì)預(yù)應(yīng)力筋或預(yù)應(yīng)力梁加速腐蝕后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)為主[37-40],關(guān)注腐蝕后預(yù)應(yīng)力筋的疲勞性能。而考慮應(yīng)力影響下的腐蝕更關(guān)注腐蝕與疲勞耦合作用引起的慢速性耦合損傷,與前者的研究成果不同,這方面相關(guān)研究開展得相對(duì)不足。

Cui等[41]建立了單蝕坑情況下的有限元模型并進(jìn)行參數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)：拉應(yīng)力顯著影響點(diǎn)蝕速率,導(dǎo)致更快的腐蝕疲勞失效。蝕坑深寬比的增加,通過坑底的應(yīng)力集中現(xiàn)象的增強(qiáng),引起更高的點(diǎn)蝕增長(zhǎng)率和蝕坑周圍的應(yīng)力幅。可見應(yīng)力與腐蝕兩者的效應(yīng)是耦合的。

Zheng等[39]建立了考慮蝕坑隨機(jī)分布的腐蝕鋼絲有限元模型,以模擬疲勞荷載和3.5%NaCl溶液下的損傷演化。結(jié)果表明：損傷在出現(xiàn)最大應(yīng)力的蝕坑底部累積;在耦合作用下,損傷逐漸累積并滲透到鋼絲中,損傷演化速率逐漸增加,鋼絲的抗疲勞性能大大降低;當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí),腐蝕介質(zhì)起主要作用,因此腐蝕壽命遠(yuǎn)小于不考慮腐蝕介質(zhì)影響的壽命。

喻宣瑞等[42]進(jìn)行了交變荷載和氯鹽環(huán)境作用下鋼絞線的腐蝕疲勞性能試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力幅增大,鋼絞線的腐蝕程度提高,蝕坑深度增大,裂紋擴(kuò)展速率將加快,開裂韌性值降低,鋼絞線破壞模式由延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

Jie等[43]對(duì)高強(qiáng)鋼絲加速腐蝕后進(jìn)行疲勞試驗(yàn),設(shè)置不同應(yīng)力范圍及應(yīng)力比。初步結(jié)果表明：腐蝕會(huì)降低極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞壽命;腐蝕疲勞壽命與應(yīng)力比呈負(fù)相關(guān),環(huán)境腐蝕的影響大于應(yīng)力比。

腐蝕疲勞中應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)為應(yīng)力幅、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)的變化,疲勞荷載與腐蝕介質(zhì)間耦合作用的影響也與應(yīng)力水平有關(guān),應(yīng)當(dāng)通過試驗(yàn)與有限元結(jié)合的方法進(jìn)一步從定性到定量地探究應(yīng)力對(duì)腐蝕疲勞影響及其引發(fā)的性能劣化。同時(shí)試驗(yàn)需要朝更符合實(shí)際的耦合情況設(shè)計(jì),當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)計(jì)中腐蝕后耦合占多數(shù)。

2 應(yīng)力影響下的腐蝕現(xiàn)象

2.1 腐蝕起始和點(diǎn)蝕形成

對(duì)于鋼材在應(yīng)力環(huán)境下的腐蝕,進(jìn)行了大量研究和探索[44-46]。與不銹鋼及合金材料[47]相比,碳鋼或直接針對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的研究相對(duì)較少,這也表明預(yù)應(yīng)力筋在應(yīng)力環(huán)境下的腐蝕研究的必要性。

腐蝕起始以發(fā)生鈍化-活化(P-to-A)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)志,Joseline等[48]的研究以含未處理的預(yù)應(yīng)力鋼絞線芯絲的砂漿試件為對(duì)象,在含不同濃度NaCl的模擬孔隙液中進(jìn)行干濕循環(huán)加速腐蝕。結(jié)果表明：在膠凝材料體系中鋼絞線芯絲的P-to-A轉(zhuǎn)變是通過鈍化膜破裂機(jī)制發(fā)生的。通過測(cè)定發(fā)生P-to-A轉(zhuǎn)變時(shí)鋼筋附近1 mm位置的氯化物含量,發(fā)現(xiàn)相較于無應(yīng)力情況,鋼絞線芯絲在有應(yīng)力(0.76fpu,fpu為鋼絞線芯絲的極限強(qiáng)度)時(shí)發(fā)生P-to-A轉(zhuǎn)變鈍化膜開裂所需干濕循環(huán)次數(shù)和臨界氯離子濃度降低。拉應(yīng)力的存在提高了鈍化膜上缺陷密度,加速腐蝕起始。

腐蝕起始以后,應(yīng)力的存在對(duì)點(diǎn)蝕敏感性有影響。Lennon等[49]研究了低合金渦輪盤鋼在濕蒸汽中的點(diǎn)蝕,結(jié)果表明：施加的拉應(yīng)力影響鋼材表面鈍化膜的成分和結(jié)構(gòu);施加的拉應(yīng)力越高,氧化膜解體的可能性越大,點(diǎn)蝕敏感性越高。Diaz等[50]關(guān)于高強(qiáng)鋼絲的試驗(yàn)進(jìn)一步表明：在外加應(yīng)力作用下,鈍化膜發(fā)生破壞,缺陷密度與應(yīng)力水平成正比,導(dǎo)致點(diǎn)蝕敏感性隨外加應(yīng)力的增大而提高。

文獻(xiàn)[51-52]的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)拉伸應(yīng)力高于鋼的屈服強(qiáng)度時(shí),由于滑移臺(tái)階的出現(xiàn)導(dǎo)致鈍化膜的機(jī)械斷裂,顯著提高點(diǎn)蝕敏感性。林兵[53]通過試驗(yàn)得到了在含不同濃度NaCl的飽和Ca(OH)2溶液中處于彈或塑性狀態(tài)的單根預(yù)應(yīng)力鋼絲的陽(yáng)極極化曲線。采用逐級(jí)增加電解液中氯離子濃度的方法,確定不同應(yīng)力狀態(tài)下極化曲線上出現(xiàn)點(diǎn)蝕成核電位的不同臨界氯離子濃度。結(jié)果表明,當(dāng)外部施加應(yīng)力大于彈性極限應(yīng)力時(shí),塑性變形通過影響鈍化膜的形成提高點(diǎn)蝕敏感性,降低了預(yù)應(yīng)力鋼絲的臨界氯離子濃度。不同的是,Lu等[54]在含0.5 mol/L NaHCO3和0.01 mol/L NaCl溶液中針對(duì)碳鋼A516-70的研究表明：施加遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的拉應(yīng)力也會(huì)降低其鈍化性能。應(yīng)力水平與點(diǎn)蝕敏感性(鈍化性能)相關(guān)關(guān)系的定量研究可進(jìn)一步展開,其臨界值與溶液成分、鋼材性質(zhì)等因素有關(guān)。

在所涉及的試驗(yàn)研究之中,常見的點(diǎn)蝕敏感性指標(biāo)之一是臨界氯離子濃度,但該指標(biāo)的使用是否適宜仍有待考量,因?yàn)楝F(xiàn)有的一些研究[45,50]表明氯化物濃度對(duì)鈍化膜的形成和破壞有影響。在應(yīng)力水平不同的前提下,難以判斷是應(yīng)力水平還是氯離子濃度在發(fā)揮作用[53]。此外,點(diǎn)蝕敏感性還受pH值、可用氧濃度、溫度、振動(dòng)等外界因素和鈍化膜成分結(jié)構(gòu)、表面條件、殘余應(yīng)力等材料自身因素的影響[50,55],因此在試驗(yàn)中如何控制變量和設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)是準(zhǔn)確衡量的關(guān)鍵。

鈍化-活化過渡過程作為發(fā)生應(yīng)力腐蝕的起始,是通過鈍化膜破裂機(jī)制發(fā)生的。應(yīng)力通過影響鈍化膜的形成和破壞進(jìn)而影響預(yù)應(yīng)力筋的點(diǎn)蝕敏感性。但關(guān)于引發(fā)點(diǎn)蝕敏感性改變臨界應(yīng)力水平的討論未達(dá)成一致,應(yīng)力引起的彈、塑性變形對(duì)金屬電化學(xué)腐蝕影響的相關(guān)研究仍有待進(jìn)一步深入。

2.2 點(diǎn)蝕演化和裂紋成核

在不少關(guān)于金屬、合金材料的應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的研究中,點(diǎn)蝕是應(yīng)力腐蝕的前兆,裂紋從金屬表面的點(diǎn)蝕坑開始形核、發(fā)展。圖5簡(jiǎn)要示意了點(diǎn)蝕向腐蝕疲勞裂紋轉(zhuǎn)變的過程。以前受可視化和測(cè)量技術(shù)的限制,缺乏對(duì)裂紋從蝕坑發(fā)展過程的深入認(rèn)識(shí),損傷演化的定性和定量預(yù)測(cè)一直受到阻礙。隨著先進(jìn)的三維成像工具的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)從蝕坑到裂紋萌生過渡的表征,也促進(jìn)了有限元模型的應(yīng)用。

Horner等[56]研究模擬了冷凝環(huán)境中發(fā)生應(yīng)力腐蝕的汽輪機(jī)盤鋼3NiCrMoV,對(duì)于50%～90%σ0.2的有應(yīng)力試樣,X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(XCT)結(jié)果表明,蝕坑處優(yōu)先成核形成裂紋,裂紋優(yōu)先在近表面的坑側(cè)附近發(fā)育。有限元分析表明局部塑性應(yīng)變發(fā)生在坑口下方。

Turnbull同樣對(duì)模擬冷凝環(huán)境中的汽輪機(jī)盤鋼3NiCrMoV開展了應(yīng)力腐蝕的試驗(yàn)研究,XCT和聚集離子束掃描電鏡(FIB-SEM)的結(jié)果(圖6)[57]表明：坑口附近優(yōu)先萌生裂紋,傳統(tǒng)的裂縫產(chǎn)生于坑底的觀點(diǎn)[58]沒有內(nèi)在的依據(jù)。有限元分析表明裂紋萌生過程與應(yīng)力無關(guān),而與局部塑性變形有關(guān),同時(shí)提出點(diǎn)蝕在應(yīng)力腐蝕裂紋形成中提供動(dòng)態(tài)應(yīng)變進(jìn)而影響應(yīng)力腐蝕裂紋的形成的全新觀點(diǎn)。裂紋起裂的位置主要取決于局部的應(yīng)力應(yīng)變和材料特性。

a—FIB-SEM圖像;b—XCT圖像。圖6 蝕坑和裂縫Fig.6 Internal view of pits and cracks in a specimen

Das等[59]采用SEM和X射線能譜儀(EDS)對(duì)AISI301不銹鋼油氣分離膜片材料進(jìn)行了失效分析,進(jìn)一步證實(shí)了膜片的破壞是由動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變引起局部應(yīng)力腐蝕開裂的。

Hashim等[60]進(jìn)行了316L級(jí)不銹鋼在含氯溶液中的腐蝕疲勞試驗(yàn),研究不同深徑比的單個(gè)蝕坑,結(jié)果表明：疲勞裂紋萌生于淺坑底部;隨著坑深的增加,裂紋萌生位置逐漸向坑壁和坑口偏移。并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元建模,研究了蝕坑周圍的局部應(yīng)變場(chǎng)(圖7),發(fā)現(xiàn)淺坑局部應(yīng)變分布均勻,隨著坑深的增加,局部應(yīng)變開始向坑壁和坑口區(qū)域集中[60]。

a—深寬比=0.67;b—深寬比=0.92;c—深寬比=1.2。圖7 蝕坑在最大加載處對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(εxx)場(chǎng)Fig.7 Strain (εxx) map at the maximum applied load for the pit

對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力腐蝕發(fā)展過程的研究并不多,Vu等[61]采用SCC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液(DIBt溶液[62])對(duì)鋼絲進(jìn)行了不同應(yīng)力水平下的恒荷載拉伸試驗(yàn)。圖8顯示了有、無應(yīng)力鋼絲在腐蝕液中的腐蝕模式[61]。

a—有應(yīng)力;b—無應(yīng)力。圖8 腐蝕鋼絲表面SEM圖像Fig.8 SEM observation of corroded wires

應(yīng)力腐蝕開裂的典型特征表現(xiàn)為由點(diǎn)蝕演化而來,鋼絲在蝕坑處形成微裂紋(總是垂直于軸向荷載)引起局部應(yīng)力集中,最終發(fā)生氫致應(yīng)力腐蝕開裂,在斷面上有微空洞聚結(jié)形貌(MVC)。失效時(shí)間受應(yīng)力水平的影響,應(yīng)力水平是應(yīng)力腐蝕發(fā)展的主要影響因素。

當(dāng)前關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力腐蝕的早期損傷演化研究還不夠深入,從蝕坑到裂紋的過渡還沒有被很好地認(rèn)識(shí),裂紋發(fā)展的早期階段缺乏透徹的見解,從蝕坑到裂紋成核的位置和產(chǎn)生裂紋成核的條件的相關(guān)研究結(jié)果還沒有出現(xiàn),而上述其他相關(guān)金屬材料的研究給出了很好的方向,有助于進(jìn)一步研究。

2.3 裂紋擴(kuò)展和材料斷裂

裂紋成核后,材料進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段,腐蝕環(huán)境能加速裂紋擴(kuò)展,直至材料失效斷裂。裂紋擴(kuò)展研究中材料腐蝕疲勞的相關(guān)研究相對(duì)更豐富,因其對(duì)腐蝕環(huán)境沒有特殊要求而廣泛存在,SCC要求特定的材料-環(huán)境組成敏感體系。下面介紹了相關(guān)研究,探討應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展和材料斷裂的影響。

Toribio等[63-64]對(duì)冷拔鋼絲疲勞裂紋擴(kuò)展開展了細(xì)微觀研究,結(jié)果表明：冷拔可以降低裂紋擴(kuò)展速率,有利于預(yù)應(yīng)力筋的損傷容限和結(jié)構(gòu)完整性,而應(yīng)力比的變化未改變疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

黃小光[65]針對(duì) LY12CZ 鋁合金進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)循環(huán)載荷頻率越低,裂紋擴(kuò)展速率越高。應(yīng)力比主要影響腐蝕疲勞近門檻值區(qū)的裂紋擴(kuò)展,在其他區(qū)域沒有顯著影響。

Ma等[66]設(shè)計(jì)了5種荷載比、4種腐蝕環(huán)境,對(duì)HRB400鋼筋的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并建立理論速率模型。結(jié)果表明：環(huán)境侵蝕水平和荷載比的增加加劇了材料的疲勞損傷,加速了腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率;降低鋼筋的臨界應(yīng)力強(qiáng)度,導(dǎo)致鋼筋的疲勞裂紋以較低的應(yīng)力強(qiáng)度擴(kuò)展。

Guo等[67]研究服役15年的API 5L X56管道在海水環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。最大載荷和加載頻率的增加,使得腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低,疲勞壽命增加。而應(yīng)力比越大,腐蝕疲勞壽命越長(zhǎng),這可歸因于X56鋼有足夠的時(shí)間在較低應(yīng)力比下經(jīng)歷滑移溶解鈍化過程。隨著應(yīng)力比的增加,裂紋擴(kuò)展速率逐漸提高,尤其在Paris公式的穩(wěn)定階段,裂紋擴(kuò)展速率顯著提高。斷口形貌觀察表明,所有試樣的斷裂模式均為穿晶解理斷裂。隨著最大載荷的減小,粗糙臺(tái)階的形態(tài)變?yōu)槠教古_(tái)階,二次裂紋和撕裂脊的數(shù)量減少。隨著加載頻率的增加,斷裂表面出現(xiàn)更多的二次裂紋和解理臺(tái)階。

Toribio[35,68]用斷裂力學(xué)方法研究冷拉程度對(duì)有疲勞預(yù)制裂紋的冷拉鋼絲斷裂模式的影響,結(jié)果表明：輕度拉拔鋼絲的斷面主要為脆性劈斷,呈現(xiàn)脆性斷裂特性;而重度拉拔鋼絲的斷面主要為微孔聚結(jié)(MVC)形貌,呈現(xiàn)延性斷裂特性。后續(xù)研究[69-70]中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),斷裂裂紋路徑從沿橫向平面的I型擴(kuò)展演變?yōu)榕c裂紋偏折和縱向擴(kuò)展相關(guān)的全局混合模式擴(kuò)展,這是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的特征[35,71-72]。斷口形貌顯示了典型的表面撕裂形貌 (TTS)和微空洞聚結(jié)斷裂特征,進(jìn)一步確認(rèn)了應(yīng)力腐蝕的存在[63,73]。

應(yīng)力作用下影響材料裂紋擴(kuò)展速率和斷口形貌的因素很多[65,68-69],后期仍需大量的試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)分析。應(yīng)力與腐蝕耦合作用下考慮應(yīng)力水平影響的研究,關(guān)于高強(qiáng)鋼絲/鋼絞線等預(yù)應(yīng)力筋材的較少,應(yīng)針對(duì)其設(shè)置不同應(yīng)力水平的試驗(yàn)研究,獲得定性和定量的關(guān)系。關(guān)于固定應(yīng)力下的應(yīng)力腐蝕,裂紋擴(kuò)展模式及斷口形貌特征在當(dāng)前研究中往往以輔助判斷標(biāo)準(zhǔn)作為參考,若要成為直接的判斷標(biāo)準(zhǔn),尚需深入推進(jìn)研究。

3 有應(yīng)力歷史腐蝕預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)性能的退化

預(yù)制混凝土(PC)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能退化,而對(duì)于腐蝕預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)性能退化的合適模型以及本構(gòu)關(guān)系的演化規(guī)律,文獻(xiàn)中未達(dá)成共識(shí)。下面就現(xiàn)有研究成果展開綜述。

曾嚴(yán)紅等[74]通過外加直流電加速腐蝕(腐蝕電流密度約為200 μA/cm2),研究嵌入混凝土中無應(yīng)力鋼絞線和鋼絲的腐蝕后力學(xué)性能退化情況,提出腐蝕預(yù)應(yīng)力筋本構(gòu)關(guān)系的雙直線模型。預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量隨銹蝕率增加近似線性降低,而預(yù)應(yīng)力鋼絲彈性模量基本不變;兩者的名義極限強(qiáng)度均隨銹蝕率增加呈線性退化;預(yù)應(yīng)力筋銹蝕率小于臨界銹蝕率時(shí),極限應(yīng)變和屈服應(yīng)變隨銹蝕率增加近似呈線性退化。

(1a)

(1b)

(1c)

Lu等[75]基于14組嵌入混凝土中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線通電加速腐蝕(腐蝕電流密度為100 μA/cm2)所得數(shù)據(jù),研究力學(xué)性能的退化,發(fā)現(xiàn)腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的強(qiáng)度和延性隨腐蝕速率的增加而急劇下降。同樣以雙直線模型為基礎(chǔ),建立了和文獻(xiàn)[74]形式一致的本構(gòu)模型。

(2a)

(2b)

(2c)

以上兩項(xiàng)研究均在通電環(huán)境下進(jìn)行,筋材腐蝕狀況有別于真實(shí)環(huán)境,比如預(yù)應(yīng)力鋼絞線通電腐蝕與自然腐蝕在腐蝕形態(tài)上有較大差距[76-77]。而且曾嚴(yán)紅等[74]試驗(yàn)中所取腐蝕電流密度大于一般文獻(xiàn)中的假設(shè)(即大于100 μA/cm2時(shí)所形成的腐蝕產(chǎn)物與自然腐蝕情況下不同[78])。因此建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)結(jié)構(gòu)環(huán)境之間的關(guān)系是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

此外,作為腐蝕預(yù)應(yīng)力筋力學(xué)性能退化的早期簡(jiǎn)化研究,未考慮外加應(yīng)力,即也無法考慮應(yīng)力與腐蝕間的協(xié)同作用,這與實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景也是不吻合的。以下學(xué)者關(guān)于預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕研究中考慮應(yīng)力歷史,包括在設(shè)計(jì)試驗(yàn)中外加應(yīng)力、應(yīng)變或采用既有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中回收的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行試驗(yàn)。

Li等[79]研究了從既有預(yù)應(yīng)力橋梁中取出的腐蝕鋼絲,發(fā)現(xiàn)：腐蝕鋼絲的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度受腐蝕的影響較小,而極限變形由于點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕和氫脆而下降。

Vu等[61]對(duì)DIBt溶液中不同應(yīng)力水平(彈性極限的0%、70%、80%、100%)張拉的腐蝕鋼絲進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明：腐蝕導(dǎo)致鋼絲的極限應(yīng)變明顯損失,高應(yīng)力水平的影響主要表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度和彈性模量的降低。應(yīng)力水平是應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)展的一個(gè)主要因素。

Xu等[80]設(shè)置不同應(yīng)變水平(0×10-6、1×10-3、2×10-3、3×10-3)和腐蝕時(shí)間,通過對(duì)5%NaCl溶液中通電加速腐蝕高強(qiáng)鋼絲的研究,發(fā)現(xiàn)：最小截面直徑與腐蝕時(shí)間和應(yīng)力水平有良好的相關(guān)性;隨著腐蝕時(shí)間的增加,鋼絲的彈性模量沒有顯著變化;屈服荷載和極限荷載隨應(yīng)變水平的增加而減小。應(yīng)變水平通過影響最小截面直徑,間接降低了屈服荷載和極限荷載。

Wang等[81]對(duì)19根直徑15.2 mm的七線鋼絞線進(jìn)行不同應(yīng)力水平下的鹽霧、濕熱交替加速腐蝕,當(dāng)應(yīng)力水平從鋼絞線屈服強(qiáng)度的45%變化到75%時(shí),鋼絞線的最大腐蝕損失增加4.91%。高應(yīng)力水平會(huì)促進(jìn)鋼絞線表面腐蝕微裂紋的擴(kuò)展,這對(duì)鋼絞線的極限強(qiáng)度有顯著影響,而對(duì)彈性模量影響較小。

Zhang等[82]在外加應(yīng)力約76.2%fy(fy為屈服強(qiáng)度)水平下對(duì)鋼絞線裸筋進(jìn)行了鹽霧加速腐蝕,發(fā)現(xiàn)：腐蝕對(duì)鋼絞線屈服強(qiáng)度和彈性模量的降低影響不大,但對(duì)鋼絞線屈服后的延性有顯著影響,極限應(yīng)變下降,導(dǎo)致脆性破壞。同時(shí)提出了腐蝕損失小于27.5%的腐蝕鋼絞線的雙線性本構(gòu)方程。

Jeon等[83]定義了腐蝕鋼絞線鋼絲的3種常見坑形,基于既有橋梁外部預(yù)應(yīng)力鋼絞線的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過回歸分析得到不同坑形下極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變和腐蝕率(截面損失)之間的關(guān)系。定義0.85倍極限強(qiáng)度為名義屈服強(qiáng)度,建立銹蝕預(yù)應(yīng)力鋼絲的雙線性本構(gòu)關(guān)系模型,基于平行彈簧假定[76],得到腐蝕鋼絞線的本構(gòu)關(guān)系。

(3a)

(3b)

式中：a、b、c、d、e、f為基于回歸分析得到3種坑形的系數(shù);dp為蝕坑深度;η為腐蝕率。

Jeon等[84]對(duì)取自后張預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段橋的100根七絲腐蝕鋼絞線展開拉伸試驗(yàn),對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明：屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)變與鋼絞線或腐蝕最嚴(yán)重鋼絲截面損失相關(guān)性小;95%單側(cè)置信下限曲線反映出極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變的降低與腐蝕率(此處定義為腐蝕最嚴(yán)重鋼絲截面損失)的定量關(guān)系,見式(4)。當(dāng)腐蝕率分別為20%和40%時(shí),極限強(qiáng)度降低了20%和38%。

(4a)

(4b)

Franceschini等[85]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自既有PC橋梁中回收得到的鋼絞線,分析極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變與腐蝕最嚴(yán)重鋼絲截面損失的相關(guān)性,考慮不同坑形,Jeon等[84]提出了一種評(píng)估極限強(qiáng)度的指數(shù)關(guān)系,見式(5)～式(7)。在雙直線本構(gòu)模型[79-80,86-88]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究,基于三直線模型,提出腐蝕鋼絞線本構(gòu)關(guān)系CPS模型。

(5)

(6)

(7)

Chen[18]設(shè)置不同應(yīng)變水平(0×10-6、1×10-3、2×10-3、3×10-3),研究通電加速腐蝕后的鋼絲,發(fā)現(xiàn)：屈服載荷和極限載荷隨應(yīng)變水平和腐蝕時(shí)間的增加而減小;應(yīng)變水平和腐蝕時(shí)間對(duì)高強(qiáng)鋼絲剩余彈性模量的影響不大。屈服荷載和極限載荷的退化模型采用正態(tài)分布,均值為以截面損失率為自變量擬合的多項(xiàng)式函數(shù),標(biāo)準(zhǔn)差為以蝕坑深度(蝕坑深度的概率模型中有應(yīng)變水平和腐蝕時(shí)間作為參數(shù))為自變量擬合的指數(shù)函數(shù)。

Wu[86]設(shè)置3種應(yīng)變水平0、2.56×10-3(相當(dāng)于26.2%fpu)、5.12×10-3(相當(dāng)于52.4%fpu)和4種腐蝕時(shí)間,對(duì)鋼絞線進(jìn)行中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn),結(jié)果表明：屈服荷載隨著應(yīng)變的增大先增大后減小;應(yīng)變水平對(duì)極限應(yīng)變的影響最為顯著,但是在不同腐蝕時(shí)間下應(yīng)變水平對(duì)極限應(yīng)變(以及極限荷載)的影響沒有顯示出一致的規(guī)律。這可能是因?yàn)楦g鋼絞線的力學(xué)性能不僅與構(gòu)成其的每根鋼絲的腐蝕率有關(guān),還與鋼絲上的腐蝕分布(主要指蝕坑分布)有關(guān),但沒有足夠的證據(jù)表明應(yīng)變會(huì)影響后者。

這些研究雖未達(dá)成一致,比如應(yīng)力與腐蝕共同作用的存在對(duì)彈性模量的影響,但顯示了一些共通的規(guī)律：應(yīng)力與腐蝕的作用帶來了延性損失,也在不同程度上降低了鋼絞線(鋼絲)的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度,并給出了腐蝕前后力學(xué)性能指標(biāo)之比與腐蝕率之間的定量關(guān)系。

關(guān)于應(yīng)力水平的影響,曾嚴(yán)紅等[74]以及Barton等[87]的研究均表明應(yīng)力水平對(duì)預(yù)應(yīng)力筋腐蝕速率影響很小,因此在力學(xué)性能退化試驗(yàn)中不考慮外加應(yīng)力,但這無法直接表明不影響腐蝕后力學(xué)性能。應(yīng)力、應(yīng)變水平對(duì)預(yù)應(yīng)力筋腐蝕后性能的定量研究,當(dāng)前缺乏關(guān)注,多數(shù)研究以定性描述為主,且未有統(tǒng)一結(jié)論。當(dāng)前定量研究[18,86]中多以應(yīng)力、應(yīng)變水平作為影響腐蝕率或蝕坑深度的參數(shù),將后者作為影響力學(xué)性能退化的直接參數(shù),間接地考慮應(yīng)變水平的影響,這種方式單向考慮了應(yīng)力對(duì)腐蝕的影響,忽略了兩者間的耦合作用關(guān)系。此外,不少研究均未達(dá)到實(shí)際PC結(jié)構(gòu)中張拉的水平,相關(guān)的規(guī)律等仍需進(jìn)一步研究推進(jìn)。

關(guān)于腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的本構(gòu)關(guān)系,當(dāng)前常見研究均基于雙線性模型,而參數(shù)多為腐蝕后彈性模量、極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、極限應(yīng)變等,這些參數(shù)受腐蝕、應(yīng)力、應(yīng)變的影響會(huì)對(duì)本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確性造成影響。一些學(xué)者從基礎(chǔ)模型本身出發(fā),建立腐蝕預(yù)應(yīng)力筋三線性模型[85];還有基于腐蝕后力學(xué)性能參數(shù)與腐蝕率之間的概率模型,建立了概率本構(gòu)關(guān)系[88],都是在原有雙線性模型上的良好改進(jìn)和發(fā)展。體現(xiàn)了腐蝕預(yù)應(yīng)力筋本構(gòu)關(guān)系對(duì)非均勻腐蝕中蝕坑影響的深入考慮,下一步的方向仍是如何更貼近腐蝕的實(shí)際情況,諸如考慮如何引入應(yīng)力的耦合影響。

相關(guān)研究的另一部分內(nèi)容是腐蝕與疲勞的共同作用(前述研究中既有結(jié)構(gòu)上拆下的腐蝕鋼絞線在服役過程中也會(huì)受到疲勞作用)。比如張歡喜[89]以鋼絞線中第1根鋼絲斷裂時(shí)刻的荷載作為其極限荷載,試驗(yàn)結(jié)果表明腐蝕疲勞降低了鋼絞線的極限荷載和極限應(yīng)變。而對(duì)于應(yīng)力幅與極限荷載、極限應(yīng)變的關(guān)系,由于試驗(yàn)樣本數(shù)量過少,離散性較嚴(yán)重,并未得出直觀的規(guī)律。此外,氯離子濃度也是腐蝕疲勞中力學(xué)性能退化的重要影響因素。關(guān)于應(yīng)力幅與力學(xué)性能退化的關(guān)系,同應(yīng)力、應(yīng)變水平一樣需要進(jìn)一步開展研究得到相關(guān)規(guī)律。此處限于篇幅不再作進(jìn)一步討論。

4 總結(jié)與展望

通過綜述應(yīng)力影響下預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕性能研究,得到結(jié)論如下：

1) 工程事故中腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的脆性斷裂,是點(diǎn)蝕效應(yīng)引起的應(yīng)力集中過載斷裂還是應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的脆性斷裂,無法從現(xiàn)有研究中得到直接的結(jié)論,但現(xiàn)有模擬孔隙液中的應(yīng)力腐蝕研究多數(shù)認(rèn)為預(yù)應(yīng)力筋在氯鹽環(huán)境中會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2) 鈍化-活化過渡過程作為發(fā)生應(yīng)力腐蝕的起始,是通過鈍化膜破裂機(jī)制發(fā)生的。應(yīng)力通過影響鈍化膜的形成與破壞進(jìn)而影響預(yù)應(yīng)力筋的點(diǎn)蝕敏感性。

3) 預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力腐蝕開裂的典型特征表現(xiàn)為由點(diǎn)蝕演化而來,在蝕坑處形成微裂紋,引起局部應(yīng)力集中,最終發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。裂紋擴(kuò)展模式及斷口形貌特征可作為判斷應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生的標(biāo)志。

4) 腐蝕造成不同程度的延性損失和極限荷載降低。在此基礎(chǔ)上分析拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)前腐蝕預(yù)應(yīng)力筋的本構(gòu)關(guān)系多數(shù)基于雙直線模型,并以腐蝕后的彈性模量、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變?yōu)閰?shù),考慮腐蝕與應(yīng)力間的耦合作用對(duì)參數(shù)取值的準(zhǔn)確性有影響,進(jìn)一步影響本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確性。

當(dāng)前研究存在的問題和展望：

1)由于氯化物濃度對(duì)鈍化膜的形成和破壞有影響,其作為點(diǎn)蝕敏感性指標(biāo)是否適宜存疑;點(diǎn)蝕敏感性尚未有統(tǒng)一指標(biāo)。

2)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)溶液采用不同成分的混凝土模擬液,其優(yōu)點(diǎn)在于可以針對(duì)工程實(shí)際調(diào)整到合適的配比,但是給不同文獻(xiàn)間的比較帶來了麻煩。本質(zhì)上在于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕機(jī)理研究不夠深入、完善。

3)金屬、合金材料的應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的損傷演化研究,為預(yù)應(yīng)力筋提供了很好的研究方向,有助于進(jìn)一步以預(yù)應(yīng)力筋為對(duì)象展開應(yīng)力與腐蝕耦合作用下早期損傷演化過程的研究。

4)介于多數(shù)研究在通電加速腐蝕環(huán)境下進(jìn)行,有別于真實(shí)環(huán)境,筋材的腐蝕狀況也不相同,同時(shí)高拉應(yīng)力加劇了復(fù)雜性,因此建立試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)結(jié)構(gòu)環(huán)境之間的關(guān)系是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

5)應(yīng)力水平的設(shè)置需考慮實(shí)際工程背景的支撐;應(yīng)力、應(yīng)變水平,應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)力與腐蝕耦合作用下預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕現(xiàn)象和腐蝕效應(yīng)需作進(jìn)一步定量研究。